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低成本冶炼不锈钢创新工艺高炉将有所作为

发布时间:2019-11-23 23:25:29 编辑:笔名

  低成本冶炼不锈钢:创新工艺 高炉将“有所作为”

  进入21世纪以来,我国不锈钢产业迅速发展,不锈钢粗钢产量由2000年52万吨增加到2012年的1608万吨,几乎占到世界不锈钢产量的一半。与此同时,中国的现有国情是缺铬少镍,不锈钢废钢缺乏,如何解决不锈钢生产的原料供应问题,实现低成本冶炼不锈钢已成为业界关注的焦点。

  我国不锈钢原料将长期依赖国际市场,主要以铬铁矿和硫化镍(或红土镍矿)形式进口。鉴于不锈钢冶炼工艺的进步,各种含镍含铬原料都可以作为冶炼不锈钢的原料,不锈钢冶炼的原料制备技术创新将是降低不锈钢生产成本的重要研究方向。

  含铬原料制备技术的发展

  对于含铬原料,最初采用中低碳铬铁,随着VOD/AOD精炼技术的进步,大量采用高碳铬铁为原料。但由于高碳铬铁由矿热炉生产,要求铬铁矿块度为10mm~70mm,铬铁比(Cr2O3/FeO)大于2.5,同时矿热炉冶炼电耗高达2372kWh/t~4024kWh/t。因此矿热炉生产铬铁合金受到资源条件和能源结构的严重制约,开发以粉矿为原料,以煤代电的铬铁生产工艺曾引起人们的重视。

  转炉熔融还原工艺

  。熔融还原技术是建立在直接还原、喷射冶金、转炉复合吹炼和煤气化(000968,股吧)等技术基础上的一项高度综合技术,其基本原理是将氧化物矿或预还原氧化物矿和还原剂(碳)喷入碳饱和铁水中进行直接还原。

  研究表明,顶吹氧和底吹气搅拌、大渣量、合适的炉渣成分和焦矿比等都能促进熔渣铬氧化物的还原速度。由于转炉熔融还原法须依托大型钢铁联合企业,生产的不锈钢母液的含铬量低,铬元素回收率低,投资大,没有得到广泛推广,目前仅在日本川崎钢铁公司应用。

  高炉冶炼含铬铁水

  。理论和实践表明,高炉生产含铬铁水,随着铁水铬含量的增加,其工艺难度增加,铁水磷含量的控制也更加困难。针对不锈钢冶炼的需要,在高炉内冶炼含铬18%的铁水,并控制铁水磷含量,在工艺技术上是能够解决的。

  含镍原料制备技术的发展

  虽然硫化镍矿占我国镍资源的85%左右,但经过多年的开采,进一步增加产能已十分困难。近年来,我国利用进口红土镍矿生产含镍生铁,对满足不锈钢生产对镍的需求起到了重要作用。

  在红土镍矿处理方面,多种工艺各具特色。总体来说,湿法冶金流程并不十分成熟,高炉法对红土矿的适应性较差,回转窑—电炉工艺流程长,能耗尤其是电耗高,因此国内许多单位都在开发红土镍矿冶金新工艺。主要工艺思路包括含碳球团法—磁选富集法、氯化离析法、红土镍矿预脱硅法和一些湿法冶金流程,这些研究大部分还未达到工业应用的水平,仍须不断探索。

  近期,国内出现了以红土镍矿为主要原料的镍铁—不锈钢一体化流程,基本模式是高炉流程对应200系列不锈钢,回转窑—电炉流程对应于300系列不锈钢。该流程的竞争力在于从红土镍矿矿山到不锈钢产品生产要素的优化组合,而在红土镍矿冶炼技术上仍采用传统的火法冶金流程。

  现有红土矿处理流程,都是将红土矿进行全量处理,为减少能耗和增加经济性,首先要解决选矿问题。

  鉴于红土矿直接富集镍的困难,高炉法和RKEF(回转窑-矿热炉)工艺必须进行全量处理,冶炼温度高,渣量大,能耗高。在全量处理条件下,若能够降低处理温度,将能够进一步降低能耗、提高经济性。日本大江山冶炼厂采用回转窑高温还原焙烧产出粒铁被公认为是目前最为经济的处理红土镍矿的方法。其基本流程如下:将红土矿磨细后,与碳质还原剂和熔剂石灰石混合,然后制成球团,通过预热器将球团送至回转窑。在回转窑中,球团与煤燃烧所产生的热气流逆流运动,球团经受干燥、脱水、还原和金属颗粒成长。金属是在回转窑中半熔融条件下形成的,从回转窑排出的半熔融产物经水淬磨细后,用淘汰和磁选机将镍铁颗粒分离出来,作为不锈钢生产的原料。

  综上所述,要解决我国不锈钢生产的原料问题,除开发无镍(如400系列)或低镍(如200系列)不锈钢品种外,还应从铬铁矿和镍矿的资源条件出发,采用成熟的现代冶金技术,进行不锈钢原料制备技术的集成创新,以降低不锈钢原料的成本、提高不锈钢产业竞争力。

  高炉冶炼含镍铬铁水具竞争力

  在高炉内冶炼高含铬量(例如Cr

  30%)铁水是困难的,但冶炼含铬小于20%的铁水,技术上是可行的,与使用铬铁合金相比,具有明显的经济性,可直接冶炼成400系列不锈钢。若能将铁水镍含量提高,并将磷含量控制在0.035%以内,在高炉内冶炼18%Cr-8%Ni铁水,经脱碳后直接冶炼成300系列不锈钢,经济性将进一步提高。因此高炉冶炼含铬或含镍铬铁水,将彻底改变不锈钢冶炼的原料结构,实现低成本不锈钢生产。基于上述目标,提出用高炉生产含镍铬铁水的工艺方案(见附图)。

  该工艺以硫化镍精矿和铬铁矿为主要原料,必要时加入一部分铁矿石。镍精矿经氧化焙烧后转变为氧化镍矿,铬铁矿可采用廉价的铬矿粉,进行含碳球团的高温预还原,然后进入高炉。以8%Cr-8%Ni铁水目标成分进行配料,通过一系列工艺措施,实现高炉的正常生产。

  含镍原料的选择和预处理。红土矿一般含镍1%~2%,对于含铁大于40%的红土矿,可在高炉内冶炼含镍1%~3%的铁水;而对于含铁小于25%的红土矿,难以进行高炉冶炼,通常采用RKEF工艺进行冶炼,铁水镍含量一般不超过15%。要想在高炉内冶炼含镍达8%的铁水,在红土矿富集镍的工艺实现工业化之前,可采用镍精矿氧化焙烧的方法获得氧化镍精矿,作为高炉冶炼的原料。

  硫化镍原矿一般含镍1%左右,经浮选后可得到含镍大于7%的镍精矿,镍精矿或二次镍精矿经氧化焙烧、尾气制酸后,将硫含量降低到0.5%以下,可作为高炉冶炼含镍铬铁水的原料。镍精矿或二次镍精矿两者的镍含量和脉石成分差别很大,可根据市场情况进行选择。

  硫化镍精矿的氧化焙烧已实现工业化生产,国内某公司曾以二次镍精矿为原料经沸腾炉焙烧生产氧化镍,产品为含镍71.5%~72.2%、含硫0.47%~0.67%的氧化镍矿,但由于当时氧化镍没有市场需求而停止生产。

  含铬原料的选择

  。传统铬铁生产工艺需要高品位高铬铁比的块矿,而对于高炉冶炼含镍铬铁水而言,由于生产低铬含量(约20%Cr)铁水,反而使用低铬铁比铬铁矿更有利。同时,建议使用廉价的铬铁矿粉,并以含碳球团方式进行预还原,以进一步降低高炉冶炼的焦比和燃料比,有利于高炉操作和铁水磷含量的控制。针对高炉冶炼含镍铬铁水的其他原料选择,必须考虑对铁水磷含量的控制要求,例如选择低磷的焦炭、熔剂和铁矿石等。通过原料的合理选择和工艺设计,可在高炉内冶炼18%Cr-8%Ni铁水。

  须要解决的关键问题

  。高炉冶炼含镍铬铁水是一个系统工程,涉及原料的选择和预处理、高炉冶炼渣系的优化、铁水磷含量控制和后续炼钢工艺的调整等。

  含镍铬原料的选择主要考虑原料品位和互补性。镍精矿一般SiO2含量比较高,而二次镍精矿很少含脉石成分;铬铁矿主要脉石成分为MgO和Al2O3,相对来说,铁矿石脉石含量很低。因此,站在高炉冶炼渣量的角度,须综合考虑各种原料的配合,同时研究炉料进入高炉前的预处理工艺。

  由于原料条件的特点,与传统炼铁工艺相比,高炉冶炼含镍铬铁水的炉渣成分差别很大,突出表现在渣中MgO和Al2O3含量高,从减少渣量考虑,宜采用酸性渣冶炼,其炉渣冶金性能有待进一步研究。

  对于铁水磷含量的控制,除了选择低磷原燃料外,冶炼工艺的优化也十分重要。例如,采用铬铁矿预还原,不但可以提高高炉冶炼效率,还能降低焦比,对控磷有利;采用高风温和降低渣量,同样也可以降低焦比,有利于降低铁水磷含量。同时,为了扩大原料选择的范围,高炉含镍铬铁水脱磷工艺的研究也值得重视。

  与普通铁水相比,含镍铬铁水的成分特点是含镍铬高、硅和碳含量高,在进行不锈钢生产时,须适当调整冶炼工艺。同时,可根据各种合金元素在炼钢过程中的行为,综合考虑高炉冶炼过程的贵重元素合金化问题。

  以目前镍和高碳铬铁市场价格计算,配制1吨18%Cr-8%Ni铁水,原料成本约1.45万元。该成分铁水在高炉内冶炼时,从生产能耗和资源综合利用来说,或更具有竞争优势,值得进一步分析和优化。

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